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鋼結構住宅的發(fā)展和技術(shù)研究

作者：王 明 貴    
時(shí)間：2009-12-22 20:26:03 [收藏]
摘 要：本文通過(guò)調查我國鋼結構住宅開(kāi)展情況，總結了我國鋼結構住宅技術(shù)開(kāi)發(fā)的經(jīng)驗，根據我國國情，提出了鋼結構住宅技術(shù)開(kāi)發(fā)的發(fā)展方向。并介紹了鋼結構住宅相關(guān)技術(shù)研究。關(guān)鍵詞：鋼結構住宅，住宅產(chǎn)業(yè)化，住宅建筑節能

    1、前言
    從建設部科技司于2001年開(kāi)始對鋼結構住宅科研立項，到現在已有5年多的時(shí)間，全國鋼結構住宅技術(shù)開(kāi)發(fā)工作現在進(jìn)展的如何，我國鋼結構住宅技術(shù)開(kāi)發(fā)的方向是什么，在此談一點(diǎn)個(gè)人看法，旨在交流鋼結構住宅技術(shù)開(kāi)發(fā)經(jīng)驗，較好地實(shí)踐鋼結構住宅建筑技術(shù)，促進(jìn)我國住宅產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。
    2、鋼結構住宅概念提出的背景和現實(shí)意義
    回顧當初提出鋼結構住宅概念的背景，了解開(kāi)展鋼結構住宅的意義，對今后開(kāi)展鋼結構住宅技術(shù)工作的方向是有益的。
    早在1999年前后，我國住宅建筑飛速發(fā)展，強勁地拉動(dòng)了國民經(jīng)濟的增長(cháng)。但是，我國住宅建筑技術(shù)落后，處于粗放型生產(chǎn)階段，勞動(dòng)生產(chǎn)率僅為發(fā)達國家的四分之一；建筑材料的水平和檔次低，仍以傳統的材料為主，新型墻體材料所占比例很低；住宅使用的多種設備、制品的模數協(xié)調體系尚未形成，各種產(chǎn)品的標準化、通用化差；建筑成本高、質(zhì)量差、生產(chǎn)周期長(cháng)、住宅能耗大、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量惡化。這種狀況很難滿(mǎn)足居民對住宅數量與質(zhì)量的雙重要求，也不能滿(mǎn)足住宅產(chǎn)業(yè)成為經(jīng)濟增長(cháng)點(diǎn)的要求。為加速住宅建設從粗放型向集約型轉變，國務(wù)院發(fā)布了《關(guān)于推進(jìn)住宅產(chǎn)業(yè)現代化，提高住宅質(zhì)量的若干意見(jiàn)》（國辦發(fā)[1999]72號），從指導思想、主要目標、產(chǎn)業(yè)框架體系、組織實(shí)施等方面逐一闡明，構畫(huà)出實(shí)現住宅產(chǎn)業(yè)化系統工程遠大目標的工作思路和方法途徑。明確提出要開(kāi)發(fā)和引進(jìn)先進(jìn)的住宅建筑體系和成套的工程技術(shù)，提高住宅建設的工業(yè)化水平和標準化水平、節能高效，全面提高住宅質(zhì)量，從而以此形成產(chǎn)業(yè)鏈，帶動(dòng)相關(guān)行業(yè)的發(fā)展，形成國民經(jīng)濟可持續的增長(cháng)點(diǎn)。為貫徹實(shí)施72號文件，建設部等四個(gè)部、委、局于1999年12月6日聯(lián)合發(fā)出了《關(guān)于在住宅建設中淘汰落后產(chǎn)品的通知》，其中實(shí)心粘土磚被列為禁用的產(chǎn)品之一，人們開(kāi)始尋求新的建筑替代材料。
    另一方面，我國鋼產(chǎn)量猛增，從1996年起，年產(chǎn)量超過(guò)億噸。由于鋼產(chǎn)量的增加，鼓勵建筑用鋼，原冶金局和建設部成立了“用鋼協(xié)調小組”，制定了國家建筑鋼結構產(chǎn)業(yè)“十五”計劃和2015年發(fā)展規劃綱要，提出了鋼結構住宅的概念。鋼結構是易于產(chǎn)業(yè)化的，它容易實(shí)現設計的標準化、構配件生產(chǎn)的工廠(chǎng)化、施工機械裝配化；能做到系列化開(kāi)發(fā)、集約化生產(chǎn)、社會(huì )化供應；并且能提高工效、保證質(zhì)量。建設部科技司于2000年８月在北京召開(kāi)全國第一屆鋼結構住宅技術(shù)開(kāi)發(fā)研討會(huì )，提出了“打基礎促發(fā)展，抓配套促應用，抓試點(diǎn)帶產(chǎn)業(yè)”的工作方針。
    2001至2002年間，建設部科技司科研立項４０多個(gè)支持研發(fā)鋼結構住宅技術(shù)，并頒發(fā)了《鋼結構住宅建筑產(chǎn)業(yè)化導則》，用以指導各地的鋼結構住宅研發(fā)。2004年開(kāi)始制定《鋼結構住宅設計規程》等有關(guān)文件。所以，我國鋼結構住宅的出現，除了社會(huì )經(jīng)濟發(fā)展這一主要因素外，還有政府部門(mén)的政策導向和積極推動(dòng)作用。
    從以上記載可以看出，我國開(kāi)展鋼結構住宅技術(shù)開(kāi)發(fā)，具有推行住宅產(chǎn)業(yè)化、提高住宅質(zhì)量的劃時(shí)代意義。隨著(zhù)國民經(jīng)濟的發(fā)展，我國已具備推行住宅產(chǎn)業(yè)化的條件，也是社會(huì )可持續發(fā)展的要求。而鋼結構住宅只是住宅產(chǎn)業(yè)化的其中一種形式，它有利于我國建筑行業(yè)技術(shù)進(jìn)步，有利于拉動(dòng)冶金行業(yè)內需和促進(jìn)節能環(huán)保型建材的開(kāi)發(fā)。
    當前，中央提出科學(xué)發(fā)展觀(guān)，建設節約型社會(huì )。在量大面廣的住宅建設中，要做到“節能、節地、節材、節水、節電和環(huán)境保護”（簡(jiǎn)稱(chēng)“四節一環(huán)保”）。因為，中國現有建筑400多億平方米，預計到2020年還將新建約300億平方米，建筑不僅需要用大量的土地，而且在建造和使用過(guò)程中直接消耗能源占全社會(huì )總能耗的30%，在建材生產(chǎn)中的能耗為16.7%，還有用水占城市用水的47%，等等。我國人口眾多，人均資源相對匱乏：煤炭、石油、天然氣、可耕地、水資源和森林資源的人均擁有量?jì)H為世界平均值的約1/2、1/9、1/23、1/3、1/4和1/6。僅從能耗上分析，據專(zhuān)家預測，到2020年，如果城鎮建筑全部達到節能標準，每年可節省3.35億噸標準煤，空調高峰負荷可減少8000萬(wàn)千瓦時(shí)，約相當1998年到2002年5年新增電力裝機容量的總和，相當于4.5個(gè)三峽大壩的發(fā)電量，相當于國家每年可減少電力建設投資約1萬(wàn)億元。巨大的能耗行業(yè)，有著(zhù)巨大的節能潛力和巨大的社會(huì )效益。出路在哪里？在于開(kāi)發(fā)新的節能墻體建材和新的建筑體系。當粘土磚被禁用后，只剩下鋼筋混泥土一種結構體系，而且砂石和水泥對資源和環(huán)境都不利，又不能回收再生，與其配套的維護體系基本上達不到節能50%的要求（包括各種幕墻建筑）。而開(kāi)展鋼結構住宅建筑技術(shù)開(kāi)發(fā)，可帶動(dòng)節能環(huán)保、廢舊利用的新型墻體建材的開(kāi)發(fā)和應用。
    近幾年強勁的市場(chǎng)需求，拉動(dòng)了我國鋼鐵工業(yè)和鋼結構建筑行業(yè)快速增長(cháng)。2005年，我國鋼產(chǎn)量達到3.52億噸，2006年，我國鋼產(chǎn)量達到4.5億噸，建成了一大批鋼結構建筑。隨著(zhù)大型公共建筑高潮的回落，鋼材的價(jià)格在回落，鋼結構用于住宅民用建筑是必然。開(kāi)展鋼結構住宅建筑技術(shù)開(kāi)發(fā)，能促進(jìn)建筑用鋼和鋼鐵行業(yè)的發(fā)展、拉動(dòng)經(jīng)濟內需。鋼材可回收再利用，鋼結構住宅符合新頒布的綠色建筑標準。
    3、鋼結構住宅開(kāi)發(fā)的現狀和存在的問(wèn)題
    2005年12月份，有關(guān)門(mén)組織了全國鋼結構住宅實(shí)施情況調查，所到城市有北京、上海、天津、南京、唐山、石家莊、青島、馬鞍山、紹興和昆明，參觀(guān)了12個(gè)鋼結構住宅項目，與8個(gè)相關(guān)單位進(jìn)行了座談。這次調研時(shí)間短、不夠全面，結合平時(shí)所了解的情況，現狀是：
    （1）、在認識上，都認為鋼結構住宅是一種先進(jìn)的建筑技術(shù)，是社會(huì )經(jīng)濟發(fā)展和科技進(jìn)步在建筑業(yè)的產(chǎn)物，符合住宅產(chǎn)業(yè)化以及建筑資源可持續發(fā)展的要求。鋼結構具有抗震性能好、施工速度快、可循環(huán)再利用的優(yōu)點(diǎn)，屬技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)，結合保溫隔熱、廢舊利用的新型墻體建材的開(kāi)發(fā)，能夠做到“節能省地”和環(huán)保建筑的要求。在粘土磚被禁用以及每年數億噸鋼產(chǎn)量的國情下，鋼結構和住宅的相關(guān)標準規范齊全，開(kāi)發(fā)鋼結構住宅建筑體系是可行的和必要的。
    （2）、鋼結構住宅工程不多，住宅產(chǎn)業(yè)化基本沒(méi)有形成。形式上有高層鋼結構住宅（圖１），也有從國外引進(jìn)的成套C型鋼技術(shù)建低層鋼結構住宅的，如北京的納帕西谷和一千棟（圖２），也有用H型鋼建造的低層鋼結構住宅，如昆明世博興云（圖３）。這次調查涉及到的工程有141.6萬(wàn)平方米，以國產(chǎn)H型鋼結構體系居多，用砌塊填充的造價(jià)與鋼筋混凝土結構基本持平。據了解，近幾年來(lái)全國已建成的鋼結構住宅竣工面積約在300～500萬(wàn)平方米左右。


    （3）、企業(yè)綜合能力差別大。萊鋼建設公司一直在市場(chǎng)中做鋼結構住宅工程，據介紹已經(jīng)做了鋼結構住宅工程180多萬(wàn)平方米，有低層建筑，也有多層和高層建筑。他們有自己的房地產(chǎn)公司、設計院、工程隊和高校參與的研發(fā)機構等產(chǎn)業(yè)鏈，實(shí)踐了各種鋼結構體系，如H型鋼的、鋼管的和鋼混組合的結構體系。但對新型墻體建材開(kāi)發(fā)及其建筑技術(shù)研究成果尚未走向應用階段。他們做的最多，但仍有許多技術(shù)和管理待完善；紹興地區有個(gè)寶業(yè)集團，他們產(chǎn)業(yè)鏈齊全，有房地產(chǎn)、建材、工程隊、研究院等公司，也有高等院校參與和國外技術(shù)合作，以寶業(yè)集團為創(chuàng )新主體，“產(chǎn)、學(xué)、研”結合，對住宅產(chǎn)業(yè)化理解較深刻和全面，投巨資搞住宅產(chǎn)業(yè)成套技術(shù)開(kāi)發(fā)，雄心勃勃，他們的試點(diǎn)工程效果較好；馬鋼做了兩棟高層鋼結構住宅試點(diǎn)工程，研究工作做得較細致，既注重技術(shù)的適用性，更注重企業(yè)的經(jīng)濟效益性，但他們只把此作為一種技術(shù)儲備。其它的企業(yè)或單位沒(méi)有綜合能力，他們或是搞建材的（墻板、砌塊、鋼材等）或是搞設計的或是搞研究的，技術(shù)或產(chǎn)品單一，形成不了產(chǎn)業(yè)鏈，找不到合作單位或工程項目，依賴(lài)性強，不能成為創(chuàng )新主體。
    另外，據了解杭蕭投資10億元開(kāi)發(fā)鋼結構住宅成套技術(shù)和產(chǎn)品，投產(chǎn)了高頻焊接矩形鋼管生產(chǎn)線(xiàn)、德國“漢德邦”板、用于樓板的鋼筋桁架自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)等硬件設施，并多次請專(zhuān)家會(huì )商發(fā)展大計和具體研究，有自己的研發(fā)機構、專(zhuān)家顧問(wèn)和科研合作伙伴。他們產(chǎn)業(yè)鏈齊全，資金雄厚，技術(shù)力量強，領(lǐng)導層決心大。2003年杭蕭鋼構取得國內鋼結構行業(yè)的首張上市通行證，2500萬(wàn)A股在上證所掛牌上市，他們將所募集的資金全部投入于鋼結構住宅建筑的實(shí)施開(kāi)發(fā)工程?，F正在建設武漢世紀家園鋼結構住宅項目，這個(gè)項目總占地7.26萬(wàn)平米，總建筑面積22.97萬(wàn)平米，其中3棟樓為點(diǎn)式住宅，7棟樓為22—24層板式住宅，均為一類(lèi)高層建筑，該項目除了全部以鋼結構作為主體外，還將采用由杭蕭鋼構自主開(kāi)發(fā)的自承式樓層板和CCA隔音、保溫、防火、防水內外墻板。還有，精工、寶鋼、首鋼等各自的某個(gè)下屬企業(yè)也在進(jìn)軍鋼結構住宅領(lǐng)域。
    2003年北京市建委委托市節能墻改辦組織專(zhuān)家進(jìn)行了一次全國性鋼結構住宅情況調研，圍繞三個(gè)問(wèn)題：要不要在北京發(fā)展推廣鋼結構住宅體系？存在什么問(wèn)題？如何解決？歷時(shí)半年，走訪(fǎng)了北京、上海、天津、山東、安徽和福建等地，考察了20個(gè)工程項目。結論是：鋼結構住宅是先進(jìn)的生產(chǎn)力和可持續發(fā)展原則在建筑業(yè)的重要體現，北京市發(fā)展鋼結構住宅具有良好的前景。并建議重點(diǎn)應放在多層和小高層住宅上，采用節能65%的設計標準。并且在初期階段不能一味強調“全裝配”，一概排斥“濕作業(yè)”。產(chǎn)業(yè)化和市場(chǎng)化是一個(gè)互動(dòng)的過(guò)程。這些結論今天仍然有效。當時(shí)存在的主要問(wèn)題是技術(shù)（缺乏）和價(jià)格（鋼材漲價(jià)）。
    2005年的調查情況表明，鋼結構住宅的技術(shù)和價(jià)格不是主要問(wèn)題，隨著(zhù)市場(chǎng)的發(fā)展這些問(wèn)題會(huì )逐漸解決的，主要是經(jīng)營(yíng)問(wèn)題，是市場(chǎng)培育問(wèn)題，也就是發(fā)展方向問(wèn)題。因為多數單位沒(méi)有繼續做下去，存在的主要問(wèn)題是：１）沒(méi)有形成產(chǎn)業(yè)鏈。“產(chǎn)、學(xué)、研”脫節，“技、工、貿”不統一。搞技術(shù)開(kāi)發(fā)的在市場(chǎng)中找不到工程實(shí)踐，拿著(zhù)“金飯碗”討飯，使技術(shù)得不到市場(chǎng)檢驗和完善，搞不下去。２）產(chǎn)品（或部品）不配套。片面地理解鋼結構住宅就是鋼結構，忽視了住宅建筑功能，解決不了與鋼結構配套的、滿(mǎn)足住宅功能的、具有安全性耐久性和實(shí)用性的維護結構和技術(shù)，其結果還是搞不下去。具體原因還可分析出很多條，但歸根結底是上述兩條。解決好這兩條，就是鋼結構住宅的發(fā)展方向。
    4、鋼結構住宅的發(fā)展方向
    通過(guò)幾年來(lái)的實(shí)踐，人們清醒地認識到，鋼結構住宅技術(shù)開(kāi)發(fā)要做一些應用性基礎研究，不能片面地理解鋼結構住宅就是鋼結構。配套部品的開(kāi)發(fā)要跟上，是一個(gè)系統工程，具有產(chǎn)業(yè)化的性質(zhì)，要逐步發(fā)展完善。
    企業(yè)是創(chuàng )新主體，他們是向望新技術(shù)、向望產(chǎn)業(yè)化的?？蒲胁块T(mén)搞技術(shù)開(kāi)發(fā)一定要與企業(yè)結合，融入到企業(yè)中去，成為企業(yè)的技術(shù)支持，這樣的技術(shù)開(kāi)發(fā)才有生命力。企業(yè)自己做研發(fā)，不一定有專(zhuān)業(yè)齊全的人才，與科研院所、高等學(xué)校結合是最現實(shí)的道路。搞鋼結構住宅技術(shù)開(kāi)發(fā)的企業(yè)一定要是房屋公司，其產(chǎn)品是房屋，具有企業(yè)品牌。技術(shù)研發(fā)、建材研制、房屋建設各環(huán)節不能間斷，從而形成產(chǎn)業(yè)鏈。也就是要搞產(chǎn)業(yè)化。
    要以房地產(chǎn)企業(yè)為龍頭、以項目為平臺，把住宅相關(guān)企業(yè)（研發(fā)、建材、加工等）鏈接起來(lái)，形成產(chǎn)業(yè)鏈，在項目平臺上完成住宅產(chǎn)業(yè)化配套集成，實(shí)現產(chǎn)業(yè)間、企業(yè)間的有序生產(chǎn)和多贏(yíng)的利益共同體，在項目上發(fā)展和完善，最終以房屋為產(chǎn)品，形成企業(yè)品牌。
    鋼結構只占鋼結構住宅的２０－３０％的造價(jià)，而且技術(shù)成熟，單純的鋼結構公司搞鋼結構住宅是不現實(shí)的。鋼結構住宅的關(guān)鍵技術(shù)是維護結構，主要是墻體建材及其建筑技術(shù)。目前也有用砌塊填充的，這當然是一種很好方式，技術(shù)成熟，有規范可依，易于竣工驗收，在鋼結構住宅開(kāi)發(fā)初級階段，是可行的、有經(jīng)濟效益的。研制單塊墻板材料容易滿(mǎn)足要求，但拼裝成墻體后的建筑功能滿(mǎn)足是關(guān)鍵。要求它質(zhì)量輕、強度高、保溫隔熱性能好、安裝可靠、經(jīng)久耐用、經(jīng)濟合理，這是有一定難度的集“建材、生產(chǎn)、應用”于一體的綜合技術(shù)。雖然也有較好墻板建材，但目前由于市場(chǎng)開(kāi)發(fā)不好，呈現出生產(chǎn)線(xiàn)落后、安裝應用不可靠或粗制亂造，裂縫處理不好。
    鋼結構住宅既然與住宅產(chǎn)業(yè)化有關(guān)，就要解決一個(gè)認識問(wèn)題：產(chǎn)業(yè)化是一個(gè)過(guò)程，是一個(gè)系統工程，要循序漸進(jìn)。在研發(fā)初級階段，不要完全排除濕作業(yè)，不要追求全裝配化。把產(chǎn)業(yè)化理解為裝配化也是片面的。企業(yè)要講經(jīng)濟效益。循序漸進(jìn)、滾動(dòng)發(fā)展、有利可圖才能持久。
    當前要關(guān)注國家產(chǎn)業(yè)政策，要響應節能省地、綠色建筑、廢舊利用、循環(huán)經(jīng)濟等科學(xué)發(fā)展觀(guān)的號召，才能得到政府的政策支持。在我國，宜開(kāi)發(fā)多層和高層鋼結構住宅，用H型鋼或鋼管建造，使承重結構與維護結構分開(kāi)，各司其職，具有中國特色的鋼結構住宅。
    開(kāi)展鋼結構住宅技術(shù)開(kāi)發(fā)，將促進(jìn)我國住宅建筑材料創(chuàng )新和建筑技術(shù)科技含量以及建筑方式的轉變，盡管它在市場(chǎng)中占有量少，但標志著(zhù)國家建筑科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，標志著(zhù)建筑從工地走向工廠(chǎng)，是我國實(shí)現工業(yè)化乃至現代化的組成部分，使建筑節能新技術(shù)應用的載體。目前的狀況不是市場(chǎng)不接受鋼結構住宅，而是我們的研發(fā)工作沒(méi)有做好，滿(mǎn)足不了市場(chǎng)的要求。
    5、鋼結構住宅相關(guān)技術(shù)研究簡(jiǎn)介
    鋼結構住宅相關(guān)技術(shù)研究?jì)热莺芏?，在這里僅介紹一種我們在鋼異型柱的研究成果。
    5.1概述
    在鋼結構住宅設計中，結構體系主要是用熱軋H型鋼建造多層（4~6層）或小高層（7~18層）的框架結構，H型鋼柱截面尺寸一般在200mm×200mm至400mm×400mm，再加上保護層和飾面，柱子在室內凸出，影響建筑美觀(guān)，使用不方便。其實(shí)，鋼筋混凝土框架結構也存在類(lèi)似的問(wèn)題，但鋼筋混凝土結構為此研究了一種異形柱（肢長(cháng)和肢寬比為2～4，區別于短肢剪力墻─肢長(cháng)和肢寬比為5～8），應用于住宅建筑中，較好地解決了室內柱角凸出的問(wèn)題。由此設想，在鋼結構住宅建筑中若能使用鋼異形柱，就能解決鋼結構住宅建筑室內柱角凸出問(wèn)題。例如中柱用十字形截面、邊柱用T形截面、角柱用L型截面，它們都由H型鋼和T型鋼組合而成，我們稱(chēng)它們?yōu)殇摦愋沃?，如圖1所示。我國現行《鋼結構設計規范》第5.2
    條對十字形柱和T形柱給出了設計計算公式，但沒(méi)有圖4（c）所示L形柱的設計計算方法，有關(guān)資料查閱也未見(jiàn)這方面的研究報導文獻。因此，本文將研究L形鋼異形柱承載力，為鋼結構住宅應用做理論研究。
    用彈性薄壁柱理論，可推導出任意開(kāi)口截面柱彎扭屈曲相關(guān)方程，并由此簡(jiǎn)化到單軸對稱(chēng)截面、雙軸對稱(chēng)截面的柱壓彎屈曲經(jīng)典方程。進(jìn)而研究了L形截面柱軸向受壓的承載力及其φ-λ曲線(xiàn)，以便工程設計應用。

    5.2、任意開(kāi)口截面柱彎扭屈曲相關(guān)方程



    5.3、缺陷分析










    參考文獻
    [1] 王明貴，張莉若，“住宅產(chǎn)業(yè)化與鋼結構住宅”，《鋼結構》，2001.12。
    [2] 建設部，“鋼結構住宅建筑產(chǎn)業(yè)化技術(shù)導則”，2001。
    [3] 汪光燾，“建設節約型社會(huì )，必須抓好建筑‘四節’”，《住宅產(chǎn)業(yè)》，2005.06。
    [4] 王明貴等，“鋼異型柱彎扭相關(guān)屈曲研究”，《鋼結構》，2006.4。
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